Projekt 18340/01

Entwicklung eines innovativen Biosensors zur Überprüfung von Wasser auf Schadstoffe auf Basis der Gärungsaktivität immobilisierter Hefen

Projektdurchführung

NORDUM Institut für Umwelt und Analytik GmbH & Co. KG
Gewerbepark, Am Weidenbruch 22
18196 Kessin

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Wasser und Abwasser werden mit chemischen Analysen und Biotests auf Schadstoffe geprüft. Das erfolgt in zertifizierten Laboratorien nach aufwendigen Standardmethoden. Als Alternative bietet die Industrie chemische Testkoffer an. Es fehlt jedoch ein einfacher Biotest für ein Schadstoffscreening. Dafür soll ein Biosensor entwickelt werden, der die schadstoffsensible Gärungsaktivität von Hefezellen nutzt. Der Sensor soll einfach und laborunabhängig anwendbar sein und die Gegenwart von Schadstoffen in der Wasserprobe innerhalb von 24 Stunden anzeigen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden1. Hefesensor: Der Hefesensor ist ein nach unten offener Hohlkörper, dessen Innenwand mit immobilisierten Hefezellen beschichtet ist. Der Hohlkörper besteht aus einem Glasring, dem Gelträger mit dem Zellgel und dem Überzugsgel. Durch den Glasring erfolgt ein rascher Stoffaustausch zur Probe, sein Gewicht hält den Sensor stets in der richtigen Position. Der Biosensor ist bei 4 °C mindestens sechs Monate lagerfähig und einsetzbar.
2. Anwendungsprotokoll: Zum Test wird den Wasserproben Glukose zugesetzt und mit den Sensoren für 18 - 20 h bei 28 °C bebrütet, dann die Gärung durch 40 °C induziert. Die Sensoren füllen sich mit Kohlendioxid und schwimmen auf. Schadstoffe verzögern das Aufschwimmen. Die Verzögerung wird im Stundenabstand in drei Bewertungsstufen bonitiert: neutral, hemmend und toxisch belastet.
3. Prüfung der Anwendbarkeit: Untersuchungen von Konzentrationsreihen einzelner Schadstoffe und Proben von kommunalen und gewerblichen Abwässern, Sickerwässern von Deponien und Altlastenpegeln. Die Ergebnisse werden am gleichen Probenmaterial mit den Ergebnissen biologischer und chemischer Referenzmethoden nach EN und DIN verglichen. Diese Verifizierung der Sensorergebnisse zeigt die Grenzen und Möglichkeiten seines Einsatzes auf.


Ergebnisse und Diskussion

Die Bewertungsstufen wurden an Messreihen mit 45 verschiedenen Schadstoffen und 180 Wasserproben unterschiedlicher Herkunft erprobt und mit den Ergebnissen der Referenzbiotests und chemischen Analysen verifiziert. Der Hefesensor zeichnete sich durch eine hohe Testsicherheit (= wenig falsch positive, keine falsch negative Bewertung) und eine hohe Testempfindlichkeit (Ausnahme: Stoffe mit geringer Warmblütertoxizität) aus. Beide Eigenschaften prädestinieren die Anwendung für ein Screening auf Schadstoffe, die Zielstellung des Projekts.
Über dieses Ziel hinausgehend ermöglicht die hohe Nährstofftoleranz der Hefezellen (= keine Hemmwirkungen bei BSB5 (Biologischer Sauerstoffbedarf) <1000), Schadstoffe auch in Gegenwart von Nährstofflasten anzuzeigen. Ebenso werden biotisch gebildete Schadstoffe (Schwefelwasserstoff, Nitrit) erfasst. Als Störeinflüsse sind biotisch gebildete Schadstoffe im Hefesensor-Test einfach auszuschalten. Der Schadstoffnachweis trotz Nährstofflasten ist ein Vorteil gegenüber Referenzbiotests, so dass die Aufnahme des Hefesensors in Testbatterien für anspruchsvollere ökotoxikologische Untersuchungen empfohlen wird.
Der Hefesensor ist einfach, gefahrlos und (auch) ohne Laborausrüstungen einsetzbar und liefert in ~24 h Ergebnisse. Der Kostenaufwand für die (manuelle) Herstellung ist höher als ursprünglich konzipiert, erfüllt aber trotzdem die Voraussetzungen für eine Vermarktung als kostengünstiges Screeningsystem. Die Projektarbeiten endeten mit der Entwicklung eines Gebrauchsmusters. Der kalkulierte Kostenrahmen wurde eingehalten.
Das Produkt Hefesensor bietet den Nutzern chemischer Analysenkoffer und Testkits für die Wasserkontrolle zusätzlich einen eigenhändig durchführbaren Biotest auf Schadwirkungen. Testkits und Hefesensor sind Screeningmethoden, die nicht die juristisch sichere, aber kostenaufwändige Prüfung in einem Fachlaboratorium nach normierten Standardmethoden ersetzen können. Die einfache Handhabung und der geringe Kostenaufwand fördern jedoch Selbstkontrollen und ehrenamtliche Probenahmen. Das führt insgesamt gesehen zu einer verbesserten Flächendeckung in der Gewässerüberwachung und ergänzt so die staatlichen Kontrollen, die sich aus Kostengründen auf den gesetzlich vorgegebenen Umfang beschränken.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse sollen in einer Fachzeitschrift, z. B. Vom Wasser, dem Journal der Wasserchemischen Gesellschaft, publiziert werden. Das Manuskript ist noch für 2003 vorgesehen. Für die Vermarktung des Produkts Hefesensor ist eine breiter angelegte Öffentlichkeitsarbeit als bisher erforderlich.


Fazit

Der Hefesensor ist eine innovative Entwicklung, die ein einfach auszuführendes Screening auf Schadstoffe mit hoher Testsicherheit ermöglicht. Besonders hervorzuheben ist seine Eignung zur Anzeige von Schadstoffen in nährstoffbelasteten Abwässern. Das eröffnet eine Anwendungsperspektive als Teil von Testbatterien für ökotoxikologische Prüfungen in Fachlaboratorien.
Die Voraussetzungen für eine Vermarktung als Screeningmethode für die laborunabhängige Eigenkontrolle dürften auch kostenseitig erfüllt werden. Eine manuelle Methode zur Herstellung von Gebrauchsmustern ist erarbeitet. Als nächster Schritt vor einer Vermarktung wäre die Erprobung des Hefesensors zur Prüfung der Testsicherheit in der Breitenanwendung zweckmäßig. Mit Fördermitteln des Landes Mecklenburg-Vorpommern wurde eine Unternehmensberatung mit der Durchführung einer Marktstudie beauftragt.